某新型船用模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與振動(dòng)沖擊分析*

汪 洋 黃東籬

（中船黃埔文沖船舶有限公司 廣州 510715）

1 引言

隨著現(xiàn)代船舶電子設(shè)備不斷的更新與升級(jí)，設(shè)備計(jì)算能力呈現(xiàn)集成化、密集化發(fā)展趨勢(shì)[1]。這就對(duì)于設(shè)備的基礎(chǔ)模塊功能需求不斷提升，單個(gè)6U規(guī)格母板的表面已經(jīng)無(wú)法容納更多的元器件進(jìn)行布線(xiàn)，不能夠滿(mǎn)足功能計(jì)算需求，在這種趨勢(shì)下，越來(lái)越多的船用模塊開(kāi)始使用功能拓展子卡[2]。

XMC類(lèi)型子卡是目前使用較多的子卡類(lèi)型之一，其通過(guò)一個(gè)垂直于母板TOP面的對(duì)插連接器直接與母板通信連接，布置于母板TOP面的正上方，形成了一種空間疊層結(jié)構(gòu)[3]。該種類(lèi)型的子卡在長(zhǎng)度方向與6U母板幾乎持平，在寬度方向尺寸約為母板的一半，能夠極大地拓展模塊元器件的有效布線(xiàn)空間，適應(yīng)目前船用電子設(shè)備計(jì)算環(huán)境對(duì)模塊的要求。

隨著新型拓展子卡引入的同時(shí)，也給船用模塊的工程化帶來(lái)了一些亟需解決的實(shí)際問(wèn)題[4]。模塊的元器件布線(xiàn)有效面積增大，高功耗的元器件增加，整個(gè)模塊的熱功耗呈線(xiàn)性增加，在傳統(tǒng)6U模塊有限狹窄的空間內(nèi)，要求模塊的導(dǎo)熱盒能夠同時(shí)滿(mǎn)足整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱需求，要求模塊能夠適應(yīng)船用振動(dòng)和沖擊環(huán)境[5]。如此嚴(yán)苛的外部限制條件約束，給模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

綜合考慮船用模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[6]，為了能夠在距離6U模塊母板TOP面單個(gè)槽位間隔的高度空間內(nèi)對(duì)XMC拓展子卡的BOT面元器件和母板TOP面元器件導(dǎo)熱，本文在已知各印制板具體元器件布局的前提下，設(shè)計(jì)出了一種夾層導(dǎo)熱方式的新型導(dǎo)熱盒結(jié)構(gòu)，并利用有限元仿真技術(shù)建立模擬出該結(jié)構(gòu)的裝配模型[7]，對(duì)模塊在船用振動(dòng)和沖擊的工況下進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，該模塊形變應(yīng)力指標(biāo)能較好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，耐振抗沖性能良好[8]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所述新型模塊的6U母板和XMC拓展子卡的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 母板與XMC子卡對(duì)插結(jié)構(gòu)

上圖展示了該新型模塊的母板和XMC子卡的相對(duì)位置關(guān)系，拓展子卡直接通過(guò)兩個(gè)連接器與母板進(jìn)行信號(hào)傳遞通訊，為保證信號(hào)強(qiáng)度，一般使連接器盡可能地接近母板主連接器。子卡的上下表面均布有GPU等核心元器件，具有較高的功耗，有散熱的需求。為充分利用印制板母板空間，于子卡的正下方的母板上也布置有一些功耗較低的元器件。因此，在子卡和母板之間需要有一層金屬隔板，將上下兩側(cè)的元器件熱量傳導(dǎo)至模塊的傳熱面上進(jìn)行散熱。

圖2 模塊縱剖結(jié)構(gòu)示意

XMC子卡通過(guò)連接器與母板對(duì)插，需要有額外加固方式使子卡相對(duì)母板固定且符合船用振動(dòng)沖擊環(huán)境。考慮到母板通過(guò)螺釘固定于導(dǎo)熱盒上，本結(jié)構(gòu)方案使子卡通過(guò)位于四角的螺釘最終固定于導(dǎo)熱盒上。

XMC凹槽的存在使得導(dǎo)熱盒剛度大打折扣，在導(dǎo)熱盒中部位置必然產(chǎn)生應(yīng)力集中且變得極易發(fā)生形變，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)沿凹槽邊緣的縱向加強(qiáng)筋，和在凹槽接近中部的橫向加強(qiáng)筋，對(duì)整個(gè)導(dǎo)熱盒零件進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

圖3 導(dǎo)熱盒結(jié)構(gòu)示意

隔板的厚度越厚，導(dǎo)熱盒的剛度越好，子卡附近元器件散熱熱阻越低，整個(gè)模塊的使用性能越高。結(jié)合實(shí)際工程化的生產(chǎn)加工工藝，本方案的隔板設(shè)計(jì)厚度定為2mm。

模塊的母板一般厚度[9]為1.6mm，子卡板厚與母板保持一致，子卡連接器通過(guò)凹槽上的通道，實(shí)現(xiàn)子卡與母板的安裝與對(duì)插[10]。結(jié)合圖2，子卡與導(dǎo)熱盒于四角安裝固定后，再加裝蓋板以形成子卡上下表面元器件的散熱通道。整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。

圖4 模塊結(jié)構(gòu)裝配

本方案所述模塊的結(jié)構(gòu)裝配形式能夠完成對(duì)整個(gè)模塊的加固、保護(hù)和散熱需求。

3 有限元仿真分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所述設(shè)計(jì)的新型隔振器方案能否滿(mǎn)足船用工況[11]下的技術(shù)指標(biāo)要求，在有限元分析軟件Abaqus中建立了其有限元仿真模型如下圖，該有限元網(wǎng)格模型共由15304個(gè)單元，8329個(gè)結(jié)點(diǎn)組成，如圖5所示。

圖5 模塊網(wǎng)格模型

在仿真軟件中模擬模塊在電子機(jī)箱中的安裝狀態(tài)添加相關(guān)約束。模塊的傳熱面和鎖緊條緊固在機(jī)箱的卡槽中，設(shè)定為固定約束，模塊母板的連接器與機(jī)箱的印制底板對(duì)插后同樣簡(jiǎn)化為固定約束。模塊中相關(guān)零件和母板子卡相對(duì)固定。

約束設(shè)定好后計(jì)算模塊的整體振動(dòng)模態(tài)，模態(tài)分析主要通過(guò)頻率和陣型來(lái)展現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，以此進(jìn)行合理的振動(dòng)評(píng)價(jià)。模態(tài)基本理論為

其中K為系統(tǒng)的剛度矩陣，ωi為第i階模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率[12]。設(shè)定模塊的導(dǎo)熱盒、盒蓋、蓋板等零件材料為鋁合金牌號(hào)為6A02，對(duì)應(yīng)的材料密度為2870 kg/m3，印制板材料密度約為1100 kg/m3，在軟件材料庫(kù)中選擇相關(guān)類(lèi)似材料賦予網(wǎng)格模型[10]。仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 模塊前18階模態(tài)結(jié)果

通過(guò)分析仿真結(jié)果，模塊的一階固有頻率為78.6Hz。依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 150.16A-2009中表C.9《安裝在艦船上設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)量值》，水面艦船掃頻試驗(yàn)頻段為0～60Hz。模塊的模態(tài)仿真結(jié)果高于60Hz，所以在艦載掃頻試驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，滿(mǎn)足基本振動(dòng)試驗(yàn)要求。

圖7 模塊一階模態(tài)仿真結(jié)果

模塊安裝于機(jī)箱中，機(jī)箱設(shè)備一般由自身單獨(dú)安裝或由機(jī)柜總體配置減振器。本文所述模塊沖擊仿真方案中設(shè)定減振器平均傳遞率為0.6。依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 150.18中對(duì)于沖擊試驗(yàn)的描述模擬船用電子設(shè)備的沖擊試驗(yàn)，取試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最大加速度峰值為300g，減振器衰減40%后作用到模塊上為180g，三角波，作用時(shí)間為20ms。依據(jù)以上數(shù)據(jù)設(shè)定模塊的邊界條件[13]，仿真計(jì)算模塊在沖擊條件下的狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 模塊沖擊應(yīng)力云圖

從仿真結(jié)果可知，整個(gè)模塊殼體的最大應(yīng)力集中位于蓋板螺釘?shù)陌惭b處，仿真結(jié)果約為100MPa，一般硬鋁的抗拉強(qiáng)度約為370Mpa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。單獨(dú)提取PCB印制板的仿真結(jié)果，如圖9所示。

圖9 印制板應(yīng)力云圖

通過(guò)上圖可知，仿真計(jì)算印制板應(yīng)力主要集中于子卡的四個(gè)安裝螺釘處，遠(yuǎn)小于導(dǎo)熱盒和蓋板應(yīng)力，滿(mǎn)足使用加固需求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)6U模塊在常規(guī)尺寸下布線(xiàn)空間不足，功能受限，達(dá)不到電子設(shè)備需求性能指標(biāo)的現(xiàn)狀，本文根據(jù)工程實(shí)際中模塊增加拓展XMC子卡的要求，對(duì)該新型模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給出了導(dǎo)熱盒具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案和整體裝配方案。本文在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件Abaqus建立了該新型隔振器的三維仿真模型，綜合考慮約束、邊界條件和不同的振動(dòng)沖擊工況，分析計(jì)算出了仿真模型的振動(dòng)和抗沖性能，通過(guò)與設(shè)計(jì)指標(biāo)和材料相關(guān)應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得出了該模塊振動(dòng)沖擊性能均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本文所述該新型模塊結(jié)構(gòu)方案可進(jìn)一步在其它船用電子設(shè)備模塊上推廣和參考。